VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚBRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍÚSTAV RADIOELEKTRONIKY

FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATIONDEPARTMENT OF RADIO ELECTRONICS

POČÍTAČEM ŘÍZENÝ PLL SYNTEZÁTOR

BAKALÁŘSKÁ PRÁCEBACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE MIROSLAV MÁLEKAUTHOR

BRNO 2011

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚBRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCHTECHNOLOGIÍÚSTAV RADIOELEKTRONIKY

FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATIONDEPARTMENT OF RADIO ELECTRONICS

POČÍTAČEM ŘÍZENÝ PLL SYNTEZÁTOR

PC CONTROLLED PLL SYNTHESIZER

BAKALÁŘSKÁ PRÁCEBACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE MIROSLAV MÁLEKAUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE Ing. PETR VÁGNER, Ph.D.SUPERVISOR

BRNO 2011

VYSOKÉ UČENÍTECHNICKÉ V BRNĚ

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Ústav radioelektroniky

Bakalářská prácebakalářský studijní obor

Elektronika a sdělovací technika

Student: Miroslav Málek ID: 115223Ročník: 3 Akademický rok: 2010/2011

NÁZEV TÉMATU:

Počítačem řízený PLL syntezátor

POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ:

Seznamte se se základními typy PLL syntezátorů a pricipem jejich funkce. Navrhněte a naprogramujteuniverzální grafické rozhraní pro PC, které umožní prostřednictvím USB portu řídit PLL syntezátor(programovat jeho registry). Zaměřte se na obvody Analog Devices. Vyberte vhodný PLL syntezátor sintegrovaným VCO a realizujte rozhraní mezi PC a syntezátorem pomocí mikrokontroléru. Funkčnípřípravek bude použit pro laboratorní měření.

DOPORUČENÁ LITERATURA:

[1] CURTIN, M., O'BRIEN, P. Phase-Locked Loops for High-Frequency Receivers and Transmitters[online]. Norwood: Analog Devices, 1999 - [cit. 20.5.2010]. Dostupné na: http://www.analog.com

[2] BARRETT, C. Fractional/Integer-N PLL Basics [online]. Dallas: Texas Instruments, 1999 - [cit.20.5.2010]. Dostupné na: http://www.ti.com

Termín zadání: 7.2.2011 Termín odevzdání: 27.5.2011

Vedoucí práce: Ing. Petr Vágner, Ph.D.

prof. Dr. Ing. Zbyněk RaidaPředseda oborové rady

UPOZORNĚNÍ:

Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmízasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následkůporušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávníchdůsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.

ABSTRAKTÚčelem této práce je realizovat poč́ıtačem ř́ızený PLL syntezátor využ́ıvaj́ıćı rozhrańıUSB. Pro p̌ripojeńı PLL syntezátoru k poč́ıtači byl použit integrovaný obvod FT232RL.Následně byl vyvinut obslužný software pro programováńı registr̊u integrovaného obvoduADF4110.

KĹIČOVÁ SLOVA

Kmitočtový syntezátor, napět́ım ř́ızený oscilátor, USB, C#, PLL.

ABSTRACTThe aim of this bachelor´s thesis is a practical realization of computer controlled PLLsynthesizer using USB serial port. FT232RL was used as an interface between the PLLsynthesizer ADF4110 and PC. A software with graphical user interface was also developedin order to control registers of the syntesizer.

KEYWORDS

Frequency synthesizer, voltage-controlled ocsillator, USB, C#, PLL.

MÁLEK, Miroslav Poč́ıtačem ř́ızený PLL syntezátor: bakalá̌rská práce. Město: Vysokéučeńı technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačńıch technologíı, Ústav ra-dioelektroniky, 2011. 72 s. Vedoućı práce byl Ing. Petr Vágner, Ph.D.

PROHLÁŠEŃI

Prohlašuji, že svou bakalá̌rskou práci na téma”Poč́ıtačem ř́ızený PLL syntezátor“ jsem

vypracoval samostatně pod vedeńım vedoućıho bakalá̌rské práce a s použit́ım odborné

literatury a daľśıch informačńıch zdroj̊u, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny

v seznamu literatury na konci práce.

Jako autor uvedené bakalá̌rské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvǒreńım

této bakalá̌rské práce jsem neporušil autorská práva ťret́ıch osob, zejména jsem nezasáhl

nedovoleným způsobem do ciźıch autorských práv osobnostńıch a jsem si plně vědom

následk̊u porušeńı ustanoveńı § 11 a následuj́ıćıch autorského zákona č. 121/2000 Sb.,včetně možných trestněprávńıch důsledk̊u vyplývaj́ıćıch z ustanoveńı § 152 trestńıhozákona č. 140/1961 Sb.

Město . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(podpis autora)

Poděkováńı

Děkuji vedoućımu bakalá̌rské práce Ing. Petru Vágnerovi, Ph.D. za velmi užitečnou

metodickou pomoc a cenné rady p̌ri zpracováńı semestrálńı práce.

V Brně dne ........................................ ........................................

(podpis autora)

OBSAH

Úvod 13

1 Základńı teorie PLL syntezátor̊u 14

1.1 Syntezátory s př́ımou syntézou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.1.1 Syntezátory s př́ımou koherentńı přeměnou - metoda př́ımé

přeměny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.1.2 Syntezátory s př́ımou koherentńı přeměnou - metoda harmo-

nických . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2 Syntezátory s př́ımou nekoherentńı syntézou . . . . . . . . . . . . . . 16

1.3 Syntezátory s nepř́ımou syntézou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.3.1 Syntezátory bez předděliče . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.3.2 Syntezátory s pevným předděličem . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.3.3 Syntezátory s ř́ızeným předděličem . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.4 Základńı pojmy PLL syntezátor̊u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.5 Fázový šum u PLL syntezátor̊u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.6 Filtr smyčky fázového závěsu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2 Rozbor zadáńı 21

2.1 Technologie použitá při programováńı . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.1.1 Technologie .NET Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.1.2 C# . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2 Popis sběrnice USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2.1 Parametry USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2.2 Základńı vlastnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.2.3 Ovládaćı rozhrańı[25] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.3 Konvertor FT232RL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.3.1 Základńı vlastnosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.3.2 Ř́ızeńı PLL syntezátoru obvodem FT232RL . . . . . . . . . . 26

2.3.3 Popis režimu Bit Bang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.4 Výběr obvodu frekvenčńıho syntezátoru . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.4.1 Základńı parametry ADF4110 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.4.2 Popis a funkce obvodu ADF4110 . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.4.3 Rychlý ř́ızený předdělič P/(P+1) . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.4.4 Určeńı frekvence VCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.4.5 Komunikace s PLL syntezátorem . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.4.6 Programováńı obvodu fázového závěsu . . . . . . . . . . . . . 33

2.5 Vhodný napět́ım ř́ızený ocilátor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.5.1 Monolitický obvod TDA5331T . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3 Řešeńı grafického rozhrańı 35

3.1 Popis grafického rozhrańı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.2 Vývojový diagram aplikace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.3 Ovládáńı a nastaveńı programu grafického rozhrańı . . . . . . . . . . 37

3.3.1 Manuálńı ovládáńı grafického rozhrańı . . . . . . . . . . . . . 37

3.3.2 Automatické ovládáńı grafického rozhrańı . . . . . . . . . . . 37

3.3.3 Standardńı ovládáńı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.3.4 Nastaveńı vlastnost́ı programu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.4 Komunikace programu s obvodem fázového závěsu . . . . . . . . . . . 38

3.5 Výpočet hodnot č́ıtač̊u a předděliče . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4 Návrh PLL syntezátoru 41

4.1 Napět́ım ř́ızený oscilátor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.2 Obvod fázového závěsu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.3 Referenčńı oscilátor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.4 Filtr smyčky fázového závěsu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.4.1 Výpočet hodnot pasivńıho filtru . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.5 Modul pro připojeńı k USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.5.1 Konfigurace modulu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.6 Měřeńı PLL syntezátoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.6.1 Měřeńı VCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5 Závěr 54

Literatura 55

Seznam symbol̊u, veličin a zkratek 57

Seznam př́ıloh 58

A Architektura D2XX ovladače 59

B Vzhled grafického rozhrańı 60

C Konfigurace USB modulu v programu MPROG verze 3.0a 61

D Nastavovaćı formuláře grafického rozhrańı 62

D.1 Formulář pro nastaveńı parametr̊u funkčńıho registru . . . . . . . . . 62

D.2 Formulář pro nastaveńı č́ıtače N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

D.3 Formulář pro nastaveńı referenčńıho registru . . . . . . . . . . . . . . 63

D.4 Formulář pro nastaveńı základńıch parametr̊u grafického rozhrańı . . 64

E Charakteristika varikapu BBY40 65

F Seznam součástek 66

G Blokové zapojeńı obvodu TDA5331T 68

H Schema zapojeńı PLL syntezátoru 69

H.1 Desky plošných spoj̊u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

I Obsah přiloženého CD 72

SEZNAM OBRÁZKŮ

1.1 Metoda př́ımé přeměny [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2 Syntezátor využiváj́ıćı metodu harmonických [2] . . . . . . . . . . . . 16

1.3 Syntezátor s př́ımou nekoherentńı syntézou [2] . . . . . . . . . . . . . 16

1.4 Syntezátor bez předděliče [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.5 Syntezátor s ř́ızeným předděličem [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.6 Charakteristika fázového závěsu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.7 Šum na výstupu PLL syntezátoru. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.8 Př́ıklad filtru smyčky PLL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.1 Architektura .NET Framework [17]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.2 NRZI kódováńı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.3 Funkce FT232RL v režimu Bit Bang . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.4 Funkčńı blokové schéma ADF4110 [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.5 Rychlý předdělič P/(P+1) [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.6 Časový diagram komunikace s [3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.1 Vývojový diagram grafického rozhrańı. . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.2 Blokový diagram komunikace hlavńıho programu s obvodem fázového

závěsu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.1 Blokové uspořádáńı poč́ıtačem ř́ızeného syntezátoru. . . . . . . . . . . 41

4.2 Zapojeńı VCO s obvodem TDA5331T. . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.3 Zapojeńı obvodu fázového závěsu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.4 Zapojeńı referenčńıho oscilátoru. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.5 Simulace otevřené smyčky PLL závěsu. . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.6 Simulace kompletńıho systému PLL s VCO. . . . . . . . . . . . . . . 47

4.7 Schéma použitého filtru. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.8 Zapojeńı modulu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.9 Zapojeńı pracovǐstě pro měřeńı spektra PLL syntezátoru. . . . . . . . 50

4.10 Spektrum na výstupu poč́ıtačem ř́ızeného syntezátoru (Span = 200

kHz). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.11 Spektrum na výstupu poč́ıtačem ř́ızeného syntezátoru (Span = 1 MHz). 52

4.12 Závislost frekvence VCO na napět́ı na dolńı propusti. . . . . . . . . . 53

A.1 Architektura ovladače D2XX [25] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

B.1 Grafické rozhrańı aplikačńıho programu . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

C.1 Konfigurace vnitřńı EEPROM obvodu FT232RL v programu MPROG

verze 3.0a. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

D.1 Formulář umožňuj́ıćı nastavit parametry funkčńıho registru. . . . . . 62

D.2 Formulář umožňuj́ı nastavit parametry registru N. . . . . . . . . . . . 63

D.3 Formulář umožňuj́ıćı nastavit parametry referenčńıho registru. . . . . 63

D.4 Formulář umožňuj́ıćı nastavit základńı chováńı grafického rozhrańı. . 64

E.1 Závislost kapacity varikapu na přiloženém napět́ı (převzato z [19]). . . 65

G.1 Blokové zapojeńı obvodu TDA5331T. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

H.1 Zapojeńı PLL syntezátoru. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

H.2 Deska plošných spoj̊u PLL syntezátoru ze strany TOP. . . . . . . . . 70

H.3 Deska plošných spoj̊u PLL syntezátoru ze strany Bottom. . . . . . . . 70

H.4 Rozmı́stěńı součástek na desce plošných spoj̊u PLL syntezátoru. . . . 71

H.5 Deska plošných spoj̊u modulu USB [14]. . . . . . . . . . . . . . . . . 71

H.6 Rozmı́stěńı součástek na desce plošných spoj̊u USB modulu. . . . . . 71

SEZNAM TABULEK

2.1 Rozš́ı̌reńı technologie .NET na operačńıch systémech . . . . . . . . . 22

2.2 Standardy USB a jejich přenosové rychlosti . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.3 Hardwarové vlastnosti FT232RL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.4 Nastaveńı zpožděńı v registru referenčńıho č́ıtače . . . . . . . . . . . . 28

2.5 Nastaveńı a funkce multiplexeru MUXOUT . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.6 Popis pin̊u ADF4110, pouzdro TSSOP [3] . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.7 Nastavitelné hodnoty předděliče [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.8 Nastaveńı kontrolńıch bit̊u jednotlivých registr̊u [3] . . . . . . . . . . 33

2.9 Rozděleńı pásem TDA5331T [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.1 Váha bitu použitých výstup̊u FT232RL [14] a připojeńı ke vstupu

ADF4110. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.1 Parametry nutné pro určeńı hodnot součástek filtru. . . . . . . . . . . 46

4.2 Změřené parametry napět́ım ř́ızeného oscilátoru. . . . . . . . . . . . . 47

4.3 Parametry pro správné naprogramováńı vnitřńı EEPROM obvodu

FT232RL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.4 Výkon parazitńıch složek spektra PLL syntezátoru. . . . . . . . . . . 50

4.5 Změřená závislost kmitočtu VCO na napět́ım . . . . . . . . . . . . . . 52

F.1 Seznam použitých součástek PLL syntezátoru - tabulka A . . . . . . 66

F.2 Seznam použitých součástek PLL syntezátoru - tabulka B . . . . . . . 67

F.3 Seznam použitých součástek pro modul USB . . . . . . . . . . . . . . 67

ÚVOD

Ćılem této bakalářské práce je praktická realizace poč́ıtačem ř́ızeného PLL 1 syn-

tezátoru kmitočtu, který pracuje v kmitočtovém rozsahu 150 - 300 MHz. Práce nava-

zuje na výsledky semestrálńıho projektu, ve kterém byly zvoleny patřičné obvody pro

realizaci syntezátoru, a bylo vytvořeno grafické rozhrańı pro programováńı registr̊u

obvodu fázového závěsu. Pro využit́ı sběrnice USB 2 byl vybrán obvod FT232RL,

který umožňuje speciálńı konfiguraci, jenž usnadňuje zvolené řešeńı. Jako vhodný

obvod fázového závěsu byl zvolen obvod ADF4110. Zař́ızeńı bude použito jako la-

boratorńı př́ıpravek, na kterém si budou moci studenti vyzkoušet vlastnosti PLL

syntezátoru.

1PLL - Phase Locked Loop - fázový závěs2USB - Universal Serial Bus - Univerzálńı sériové rozhrańı

13

1 ZÁKLADNÍ TEORIE PLL SYNTEZÁTORŮ

Kmitočtový syntezátor je zař́ızeńı generuj́ıćı harmonický signál s diskrétńımi

kmitočty, které jsou odvozeny z jednoho nebo několika generátor̊u s požadovanou

kmitočtovou stabilitou[1]. Kmitočtovou vzdálenost mezi dvěma výstupńımi kmitočty

označujeme jako kmitočtový krok ∆fvco1. Hlavńım znakem syntezátor̊u je jejich

velká stabilita výstupńıch kmitočt̊u, které jsou většinou odvozeny z jednoho refe-

renčńıho kmitočtu.

Kmitočtové syntezátory a jejich vlastnosti hodnot́ıme pomoćı parametr̊u, z nichž

nejd̊uležitěǰśı jsou[1]:

• Rozsah pracovńıch kmitočt̊u fmin2 až fmax3,• počet pracovńıch kmitočt̊u syntezátoru,• činitel potlačeńı nežádoućıch signál̊u, které charakterizuj́ı poměr výkonu signálu

s pracovńım kmitočtem k výkonu složek na jiných kmitočtech,

• doba přeladěńı z jedné pracovńı frekvence na druhou.

Jednotlivé části syntezátor̊u mohou být realizované analogovými, nebo digitálńımi

obvody. Nejčastěji se však využ́ıvá syntezátor̊u hybridńıch, které v sobě obsahuj́ı ob-

vody digitálńı i analogové. Dnešńı moderńı syntezátory se vyráběj́ı jako integrované

obvody v klasickém i SMT provedeńı. Výhodou takto zhotovených obvod̊u je jedno-

duchost zapojeńı a nepotřebnost velkého množstv́ı exterńıch součástek. Ř́ızeńı ob-

vod̊u se provád́ı pomoćı paralelńı sběrnice, nebo prostřednictv́ım sériové linky[1][2].

PLL4 syntezátory se podle zp̊usobu vytvářeńı výstupńıch signál̊u rozděluj́ı na

kmitočtové syntezátory s př́ımou syntézou a na syntezátory s nepř́ımou syntézou

[2]. Dále se syntezátory děĺı na koherentńı a nekoherentńı [2].

Koherentńı syntezátory použ́ıvaj́ı pouze jeden generátor, tud́ıž výstupńı signály

jsou vzájemně koherentńı a stabilita výstupńıch kmitočt̊u je dána stabilitou základńıho

generátoru.

Nekoherentńı syntezátory použ́ıvaj́ı několika základńıch generátor̊u, které jsou

vzájemně nezávislé, a tud́ıž nekoherentńı.

1.1 Syntezátory s př́ımou syntézou

U těchto syntezátor̊u se výstupńı kmitočet vytvář́ı z kmitočtu jednoho, nebo

několika základńıch generátor̊u. Pomoćı aritmetických operaćı (sč́ıtáńı, odeč́ıtáńı,

1kmitočtový krok syntezátoru2minimálńı kmitočet syntezátoru3maximálńı kmitočet syntezátoru4PLL - Phase Locked Loop - fázový závěs

14

násobeńı a děleńı) se realizuje soustava směšovač̊u, násobič̊u a dělič̊u kmitočtu, po-

moćı kterých se vhodně vytvoř́ı výstupńı kmitočet syntezátoru[2]. Tyto syntezátory

jsou zpětnovazebné a využ́ıvaj́ı fázového závěse PLL. Kromě obvod̊u, které realizuj́ı

aritmetické operace, tyto syntezátory obsahuj́ı napět́ım ř́ızené oscilátory, programo-

vatelné děliče kmitočtu a kmitočtové fázové detektory.

1.1.1 Syntezátory s př́ımou koherentńı přeměnou - metoda

př́ımé přeměny

Tyto syntezátory vycházej́ı z požadavku malého počtu výstupńıch kmitočt̊u[2]. Syn-

tezátor obsahuje jeden referenčńı oscilátor ze kterého jsou s pomoćı násobič̊u a směšovač̊u

odvozeny výstupńı kmitočty syntezátoru. Hlavńı výhodou tohoto typu zař́ızeńı je

možnost využit́ı všech výstupńıch kmitočt̊u současně.

Refernční oscilátor

Násobičkmitočtu

Násobičkmitočtu

Směšovač

Směšovač

f1

f2

f3

Obr. 1.1: Metoda př́ımé přeměny [2]

1.1.2 Syntezátory s př́ımou koherentńı přeměnou - metoda

harmonických

Tento typ syntezátor̊u obsahuje přesný referenčńı oscilátor s tvarovačem signálu,

dva směšovače a oscilátor s možnost́ı nastaveńı výstupńıho signálu.

Princip funkce je takový, že výstupńı signál z tvarovače je přiveden na vstup

prvńıho směšovače, ve kterém dojde ke vzniku rozd́ılové složky signálu z tvarovače

a signálu z ř́ızeného oscilátoru. Výsledná rozd́ılová složka je přefiltrována mezif-

rekvenčńım filtrem a přivedena na druhý směšovač, ve kterém se signál z ř́ızeného

oscilátoru přičte k mezifrekvenčńımu signálu. Výsledný součtový signál je zároveň

výstupńı. Vše je zřejmé z obrázku 1.2.

15

Oscilátor s tvarovačem

Prvnísměšovač MF. filtr

řízený oscilátor

Druhýsměšovač

fout

Obr. 1.2: Syntezátor využiváj́ıćı metodu harmonických [2]

1.2 Syntezátory s př́ımou nekoherentńı syntézou

Obsahuj́ı určitý počet krystalem ř́ızených oscilátor̊u, směšovače, děliče a násobiče.

S jejichž pomoćı se vytvář́ı potřebný kmitočet výstupńıho signálu obr.1.3. Nevýhodou

takto realizovaného syntezátoru je značná komplikovanost a nutnost větš́ıho množstv́ı

krystal̊u pro krystalové oscilátory.

Obr. 1.3: Syntezátor s př́ımou nekoherentńı syntézou [2]

16

1.3 Syntezátory s nepř́ımou syntézou

Základńımi bloky těchto syntezátor̊u je refernčńı oscilátor s vysokou stabili-

tou, velkou přesnost́ı výstupńıho kmitočtu a fázový závěs, zapojený jako násobič

kmitočtu. Tyto obvody jsou určitým zp̊usoben, podle potřeby, doplněny vhodným

počtem násobič̊u, dělič̊u kmitočt̊u, popř́ıpadě směšovač̊u [2].

1.3.1 Syntezátory bez předděliče

Toto zapojeńı je nejjednodušš́ım zapojeńım syntezátoru s nepř́ımou koherentńı

syntézou. Schématické zapojeńı syntezátoru je na následuj́ıćım obrázku 1.5.

Obr. 1.4: Syntezátor bez předděliče [2]

Ř́ıd́ıćı napět́ı z filtru smyčky je přivedeno na vstup napět́ım ř́ızeného oscilátoru

- VCO5, který generuje signál fvco6 jehož kmitočet je zároveň výstupńım kmitočtem

syntezátoru. Ř́ıd́ıćı napět́ı muśı nabývat takových hodnot, aby byl VCO přelad’ován

v požadovaném kmitočtovém rozsahu. Výstupńı signál z VCO obvykle harmonického

pr̊uběhu, je tvarovačem signálu upraven na signál pravoúhlý, který je vhodný pro

zpracováńı v digitálńıch obvodech [2]. Výstup z tvarovače je přiveden na programo-

vatelný dělič s děĺıćım poměrem v rozsahu 1 až N. Každému děĺıćımu poměru př́ısluš́ı

jeden výstupńı kmitočet syntezátoru. Změna výstupńıho kmitočtu, který nastal po

změně děĺıćıho poměru děliče o jednotku, nazýváme kmitočtový krok syntezátoru

∆fvco. Z výstupu programovatelného děliče kmitočtu přicháźı signál, s kmitočtem

5Voltage Controlled Oscillator - napět́ım ř́ızený oscilátor6fvco - kmitočet VCO

17

sńıženým o hodnotu děliče, na jeden vstup fázového komparátoru. Na druhý vstup

komparátoru je přiveden signál z referenčńıho generátoru.Referenčńı generátor bývá

konstruován jako přesný a stabilńı krystalový oscilátor [1][2].

1.3.2 Syntezátory s pevným předděličem

Pro zvětšeńı kmitočtového rozsahu syntezátoru se mezi VCO a programovatelný

dělič kmitočtu připojuje rychlý předdělič s děĺıćım poměrem P. Poté je kmitočet,

přivedený na vstup programovatelného děliče, P krát menš́ı.

1.3.3 Syntezátory s ř́ızeným předděličem

Syntezátor obsahuje rychlý ř́ızený předdělič s děĺıćımi poměry P a P+1 a daľśı č́ıtač.

Tento č́ıtač bývá nejčastěji označován jako swallow č́ıtač [2], nebo A č́ıtač [1][3].

Funkce rychlého ř́ızeného předděliče je taková, že se nejprve nastav́ı počátečńı

hodnoty č́ıtače A a hlavńıho programovatelného č́ıtače. Následně se nastav́ı rychlý

předdělič na děĺıćı poměr P+1. Poté s každou periodou začnou č́ıtat (směrem dol̊u)

č́ıtače swallow a hlavńı programovatelný č́ıtač.

Jakmile č́ıtač A dosáhne nuly, dojde k přepnut́ı programovatelného předděliče

na poměr P. Změna č́ıtače A umožňuje snadné nastaveńı kmitočtu v násobćıch

kmitočtového kroku syntezátoru [1].

Obr. 1.5: Syntezátor s ř́ızeným předděličem [2]

18

1.4 Základńı pojmy PLL syntezátor̊u

Obrázek 1.6 představuje charakteristiku fázového závěsu. Tato charakteristika

se použ́ıvá u určeńı hlavńıch parametr̊u PLL.

Obr. 1.6: Charakteristika fázového závěsu.

• Doba zachyceńı: doba zachyceńı je čas, který PLL potřebuje k tomu, abyse při definované skokové změně smyčka PLL zasynchronizovala. Doba zachy-

ceńı je d̊uležitým parametrem u systémů využ́ıvaj́ıćı frekvenčńıch skok̊u (tzv.

frequency hopping), např. GSM[12]

• Vlastńı kmitočet: představuje kmitočet oscilátoru VCO v okamžiku, kdyneńı fázový závěs synchronizován [13].

• Rozsah zachyceńı: 2∆fz - maximálńı rozsah kmitočt̊u, při kterém dojde kzasynchronizováńı.

• Rozsah synchronizace: 2∆fs tento parametr představuje rozsah kmitočt̊upři kterých VCO sleduje vstupńı kmitočet. Rozsah synchronizace je vždy větš́ı

než rozsah zachyceńı.

• Řád PLL: Řád smyčky fázového závěsu je roven počtu pól̊u filtru smyčkyzvětšené o jedničku. PLL 1. řád̊u odpov́ıdá zapojeńı PLL, kdy filtr smyčky je

nezapojený.

1.5 Fázový šum u PLL syntezátor̊u

Oscilátory maj́ı přirozenou tendenci zesilovat šum, který se vyskytuje pobĺıž

oscilačńı frekvence. Č́ım v́ıce se kmitočet šumu bĺıž́ı frekvenci oscilátoru, t́ım větš́ı

je jeho ześıleńı [22].

U PLL syntezátor̊u se fázový šum projevuje v referenčńım oscilátoru, napět́ım

19

ř́ızeném oscilátoru, fázovém detektoru a v č́ıtač́ıch obvodu fázového závěsu. Obrázek

1.7 přibližně ukazuje šum v okoĺı generovaného signálu PLL syntezátorem.

Obr. 1.7: Šum na výstupu PLL syntezátoru.

1.6 Filtr smyčky fázového závěsu

Proto, aby bylo možné ovládat napět́ım ř́ızený oscilátor, je nutné na výstup

fázového detektoru zapojit filtr. Tento filtr bývá realizován jako pasivńı, nebo aktivńı

dolńı propust.

Filtr funguje tak, že měńı velikost napět́ı s rychlost́ı závislou na časové konstantě

filtru. Při kladném výstupńım napět́ı na komparátoru roste napět́ı na filtru. Při

nulovém výstupńım napět́ı komparátoru z̊ustává napět́ı na filtru konstantńı a při

záporném klesá.

Obr. 1.8: Př́ıklad filtru smyčky PLL.

20

2 ROZBOR ZADÁNÍ

Grafické rozhrańı by mělo být schopné programovat registry obvodu fázového

závěsu všemi dostupnými zp̊usoby, jenž obvod umožňuje. Grafické rozhrańı by mělo

být představováno formulářovou aplikaćı, která umožńı snadné a rychlé ovládáńı.

Pro přenos dat z poč́ıtače do PLL syntezátoru by mělo grafické rozhrańı obsa-

hovat př́ıslušné metody, které umožńı ovládáńı USB sběrnice. Výsledný syntezátor

by měl představovat zař́ızeńı na oboustranné desce plošných spoj̊u s výstupy pro

spektrálńı analyzátor, na kterém bude možné měřit výstupńı spektrálńı výkon syn-

tezátoru, a výstup pro připojeńı osciloskopu pro kontrolu zachyceńı smyčky PLL.

2.1 Technologie použitá při programováńı

Pro efektivńı využit́ı, a co možná nejlepš́ı funkci aplikace pro ovládáńı syn-

tezátoru, jsem zvolil poměrně novou a výkonnou technologii od firmy Microsoft -

.NET 1 a programovaćı jazyk C# 2.

2.1.1 Technologie .NET Framework

Technologie .NET je nová platforma firmy Microsoft, která se skládá z řady

nových technologíı [17]. Tyto technologie jsou postavené pro prostřed́ı patř́ıćı do

rodiny operačńıch systémů Windows [17]. Technologie .NET se snaž́ı o zjednodušeńı

a urychleńı vývoje aplikace. Souhrnně se tyto technologie nazývaj́ı .NET Framework

a jejich struktura je na obrázku 2.1.

Ve struktuře .NET Frameworku se na nejnižš́ı úrovni nacháźı CLR, který předsta-

vuje základńı infrastrukturu.

V prostřed́ı .NET jsou zdrojové soubory libovolného programovaćıho jazyka

zkompilovány do intermediálńıho jazyka MSIL3. V př́ıpadě, že systém detekuje, že

jde o aplikaci v jazyku MSIL a spust́ı speciálńı kompilátor, který vygeneruje skutečné

instrukce ćılové platformy.

Nad CLR4 se nacháźı několik knihoven, které jsou rozděleny do jmenných pro-

stor̊u. Tyto knihovny umožňuj́ı základńı práci s uživatelským rozhrańı, př́ıstup k

dat̊um a práci s XML5. Posledńı vrstu .NET tvoř́ı množina jazyk̊u, které jsou fir-

mou Microsoft podporovány.

V současné době je technologie .NET Framework součást́ı nejnověǰśıch operačńıch

1.NET - dot NET. Soubor technologíı, které tvoř́ı celou platformu, dostupnou pro Windows.2 C Sharp. Programovaćı jazyk vyvinutý firmou Microsoft.3MSIL - Microsoft Intermediate Language.4CLR - Common Language Runtime. Základńı ifrastruktura.5XML -Extensible Markup Language. Rozšǐritelný značkovaćı jazyk.

21

systémů.

V tabulce 2.1 jsou uvedeny nejběžněǰśı operačńı systémy. Jak je vidět z tabulky

2.1, operačńı systém Windows 2000 umožňuje doinstalovat technologii .NET verze

2.0. Oproti tomu Windows XP neobsahuje, stejně jako Windows 2000, žádnou tech-

nologii .NET, ale umožňuje doinstalovat nejnověǰśı verzi .NET 4.0. Součást́ı systémů

Windows Vista a Windows 7 je .NET verze 3.0 a současně umožňuj́ı doinstalováńı

nejnověǰśı verze .NET 4.0.

Obr. 2.1: Architektura .NET Framework [17].

Tab. 2.1: Rozš́ı̌reńı technologie .NET na operačńıch systémech

Verze systému Verze .NET Poznámka

Windows 2000 .NET 2.0 Nutno doinstalovat

Windows XP .NET 4.0 Je nutné doinstalovat .NET 4.0.

Windows Vista .NET 3.0 Součást systému, je možné doinstalovat .NET 4.0.

Windows 7 .NET 3.0 Součást systému, je možné doinstalovat .NET 4.0.

22

2.1.2 C#

C#6 je programovaćı jazyk vyvinutý firmou Microsoft pro snadné a pohodlné

programováńı technologie .NET. C# je vysokoúrovňový objektově orientovaný pro-

gramovaćı jazyk, který vycháźı z koncepce jazyk̊u C++ a Java [16]. Tento programo-

vaćı jazyk lez použ́ıt k programováńı webových aplikaćı a stránek, webových služeb,

formulářových aplikaćı a softwaru pro mobilńı zař́ızeńı. Hlavńı výhody programo-

vaćıho jazyka C# jsou:

• Jednoduchost, modernost, mnohoúčelnost,• objektově orientovaný programovaćı jazyk,• přenositelnost zdrojových kód̊u,• mezinárodńı podpora.C# má spoustu výhod oproti jiným programovaćım jazyk̊um. Avšak rychlost́ı se

nevyrovná aplikaćım psaných v C, nebo jazyku symbolických adres.

2.2 Popis sběrnice USB

USB 7 je zař́ızeńı, které nab́ıźı obousměrnou komunikaci mezi PC a periferíı.

Tato univerzálńı sériová sběrnice vznikla již v roce 1995 ve spolupráci firem Com-

paq, Hawlette-Packard, Intel, Lucent, NEC, Microsoft a Phlips [11].

V roce 2000 byla vyvinuta nová verze USB, označovaná jako USB 2.0. Tato verze

USB byla rychleǰśı a zpětně kompatibilńı s p̊uvodńı verźı. USB 2.0 dosahovalo rych-

losti až 480 Mbit/s [11].

Zat́ım nejnověǰśı verze sběrnice USB, označovaná jako USB 3.0, byla vyrobena

v roce 2008 a na trh se dostala až v roce 2010. Jej́ı hlavńı přednost́ı byla vysoká

přenosová rychlost ( 5Gbit/s), nová technologie založená na osmivodičovém prove-

deńı a zpětná kompatibilita s USB 2.0 [11].

2.2.1 Parametry USB

• Podpora Plug&Play,• velký počet připojitelných zař́ızeńı (až 127),• podpora operačńıch systémů Windows 98/2000/Me/XP/Vista/Win 7, Linux,

MAC OS-8, OS-9,OS-X,

• zař́ızeńı může být vodiči spojené až do délky 5 metr̊u od USB• možnost napájeńı z USB konektoru - 100 mA, popř́ıpadě 500 mA,• sériové rozhrańı.

6C# byl vyv́ıjen současně s technologíı .NET.7USB - Universal Serial Bus - Univerzálńı sériové rozhrańı

23

2.2.2 Základńı vlastnosti

USB pracuje jako jednomasterová sběrnice, tzn. že veškeré děje jsou ř́ızeny

poč́ıtačem. Data se pośılaj́ı v paketech o délce 8 až 64 ( 1024 pro izochronńı přenos

[25]) bajt̊u.

Přenos dat prob́ıhá v rámćıch, které maj́ı délku 1ms. Uvnitř těchto rámc̊u se mo-

hou nacházet pakety pro několik zař́ızeńı. Pokud poč́ıtač komunikuje s v́ıce zař́ızeńımi,

rozděluje pakety hub, který dále zabraňuje, aby se signály s vyšš́ımi rychlostmi

přesunuly na pomalá zař́ızeńı.

Slave (podř́ızené zař́ızeńı) se zasynchronizuje a źıská hodiny přenosu z datového

signálu. To proto, že hodinový signál neńı přenášen po zvláštńı lince. K tomu, aby se

Slave správně zasynchronizoval, použ́ıvá se NRZI (NRZI - Non Return To Zero)

kódováńı, u kterého jedničky v datech zp̊usob́ı změnu úrovně [25]. Naopak logická

nula nechává úroveň beze změny. Vše je zřejmé z obrázku 2.2.

Obr. 2.2: NRZI kódováńı

Obsahuje-li p̊uvodńı datový tok šest po sobě jdoućıch jedniček, přidá vyśılač

jednu nulu, aby se změnila úroveň. Přij́ımač pak tuto přebývaj́ıćı nulu odstrańı. Je

to velice d̊uležité pro obnoveńı hodinového kmitočtu z datového toku.

Každý paket obsahuje speciálńı bajt, tzv. sync-bajt8. Pomoćı tohoto bajtu a NRZI

kódováńı je zař́ızeńı schopné se zasynchronizovat, což je d̊uležité přenos dat.

Uvnitř USB sb2rnice se vyskytuje přij́ımač i vyśılač. Zař́ıńı obsahuje jednotku

SIE (Serial Interface Engine), která společně s buffery (vyrovnávaćı pamět́ı) přenáš́ı

data. Vyrovnávaćı pamět’ buffer̊u je tvořena pamět́ı FIFO9, která představuje pamět’

schopnou data postupně přij́ımat a vyśılat.

Tato sériová sběrnice pracuje ve verźıch USB1.1 a nověǰśı USB2.0. Hlavńı rozd́ıl

těchto dvou verźı je přenosová rychlost[25], která je uvedena v tabulce 2.2:

8sync-bajt synchronizačńı bajt (00000001b)9FIFO - First in, First out. Data, která ulož́ıme do fronty jako prvńı, budou jako prvńı vybrána.

24

Tab. 2.2: Standardy USB a jejich přenosové rychlosti

Rychlost Standard Přenosová rychlost

Low Speed 1,5 Mb/s USB 1.1/2.0

Low Speed 12 Mb/s USB 1.1/2.0

High Speed 480 Mb/s USB 2.0

2.2.3 Ovládaćı rozhrańı[25]

Pro ovládáńı zař́ızeńı na bázi FT232RL lze použ́ıt ovladače VCP nebo D2XX.

Pokud použijeme ovladače VCP chová se USB jako sériový port. Tud́ıž zař́ızeńı,

které je připojené, je sice připojené k USB, ale chápe ho jako virtuálńı port.

Oproti tomu je D2XX př́ımý ovladač pro Windows, který s FT232RL komunikuje

pomoćı kódu v dynamické knihovně. D2XX obsahuje ovladač FTD2XX.SYS, který

komunikuje se zař́ızeńım přes Windows USB zásobńık a dynamickou knihovnu. Tato

knihovna je rozhrańım pro aplikačńı program vytvořený ve vývojovém prostřed́ı

např́ıklad Builderu C++, nebo Visual studio C#. Architektura D2XX ovladače je

přiložena v př́ıloze A.1.

Funkce pro použit́ı D2XX jsou rozděleny do čtyř skupin [25]:

• Klasické rozhrańı, které seskupuje D2XX funkce pro zpětnou kompatibilitu.Jsou to funkce pro snadný př́ıstup k USB.

• Rozhrańı E2PROM dovoluje aplikaci č́ıst/zapisovat do konfiguračńı paměti93C46.

• Rozš́ı̌reńı pro použit́ı vlastnost́ı druhé generace obvod̊u ( např. režim BitBangu)

• FT Win32API definuje funkce odpov́ıdaj́ıćı p̊uvodńım WIN32 API voláńımpro práci se sériovým portem [25].

2.3 Konvertor FT232RL

Jako vhodný převodńık mezi USB sběrnićı a PLL syntezátorem byl vybrán in-

tegrovaný obvod FT232RL od firmy FTDI Chip.

2.3.1 Základńı vlastnosti

Obvod FT232RL patř́ı do druhé generace USB UART konvertor̊u [25]. Tato

druhá generece má rozš́ı̌rené funkčńı schopnosti a t́ım se stává FT232RL univerzálněǰśım

oproti starš́ım obvod̊um z prvńı generace. Mezi nejzaj́ımavěǰśı a pro mou práci

25

nejd̊uležitěǰśı je režim zvaný Bit Bang 10. Daľśı základńı parametry obvodu FT232RL

uvád́ı tabulka 2.3.

Tab. 2.3: Hardwarové vlastnosti FT232RL

Parametr Hodnota Jednotka

Skladovaćı teplota -65 až 150 ◦C

Provozńı teplota 0 až 70 ◦C

Napájećı napět́ı -0,5 až 6 V

Výkonová ztráta (Vcc =5,25V) 500 mW

Vstupńı napět́ı -0,5 až (Vcc+0,5) V

Výstupńı proud 24 mA

2.3.2 Řı́zeńı PLL syntezátoru obvodem FT232RL

Protože většina PLL syntezátor̊u použ́ıvá SPI11 komunikaci je nutné konver-

tor FT232RL ovládat určitým zp̊usobem, který bude plně vyhovovat danému syn-

tezátoru. V tomto ohledu připadaj́ı v úvahu dvě řešeńı:

1. Využ́ıt FT232RL jako konvertor z USB na UART a následná data vhodným

mikroprocesorem přeposlat pomoćı SPI do syntezátoru.

2. Vytvořeńım PC programu, který by v sobě sdružoval funkci ovládáńı Bit Bangu

obvodu FT232RL a zároveň by umožňoval komunikaci prostřednictv́ım SPI.

Podle mého názoru je efektivněǰśı druhé řešeńı, protože data z USB sběrnice

budou pośılána př́ımo do syntezátoru. T́ımto se ušetř́ı čas, který by strávil mikro-

kontrolér přijmut́ım a následným přeposláńım dat do obvodu PLL syntezátoru.

2.3.3 Popis režimu Bit Bang

FT232RL umožňuje programové přepnut́ı do speciálńıho režimu zvaného Bit

Bang obr. 2.3. Bit Bang je režim, při které se osm ř́ıd́ıćıch linek UART přepne na

osmi bitový vstupně/výstupńı port. Datové pakety pośılané do obvodu se sekvenčně

pośılaj́ı rychlost́ı, kterou udává předdělička přenosové rychlosti obvodu FT232RL

[25]. Obvod lze pak použ́ıt jako obecný vstupně/výstupńı řadič. Využit́ı Bit Bangu

10Bit Bang - speciálńı režim obvodu FT232RL, viz. 2.3.3 Popis režimu Bit Bang11SPI - Serial Peripheral Interface - Sériové komunikačńı rozhrańı

26

je vhodné pro snažš́ı programováńı [25], nebo pro ovládáńı zař́ızeńı bez použit́ı mi-

krokontroléru.

Dı́ky této vlastnosti je možné zař́ızeńı PLL syntezátoru do určité mı́ry zjed-

nodušit a soustředit veškerou logiku do poč́ıtačového rozhrańı.

FT232RL

TXD

RXD

RTS#

CTS#

DTR#

DSR#

DCD#

RI#

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

D0

Obr. 2.3: Funkce FT232RL v režimu Bit Bang

2.4 Výběr obvodu frekvenčńıho syntezátoru

Z nab́ıdky integrovaných obvod̊u firmy Analog Devices byl zvolen obvod ADF4110.

Obvod se ř́ıd́ı pomoćı čtyř 24-bitových rámc̊u, do kterých se data nahrávaj́ı pomoćı

tř́ıvodičového sériového rozhrańı.

2.4.1 Základńı parametry ADF4110

ADF4110 patř́ı mezi obvody frekvenčńıch syntezátor̊u, které mohou být použity

jako lad́ıćı oscilátory ve vysokofrekvenčńıch přij́ımač́ıch a vyśılač́ıch. Tento obvod

obsahuje 14-bitový referenčńı č́ıtač R, 13-bitový č́ıtač B a 6-bitový č́ıtač A. Dále je

jeho součást́ı rychlý ř́ızený předdělič P/(P+1).

Hlavńı parametry ADF:

• kmitočtový rozsah výstupu RFout = 50− 550 MHz• kmitočtový rozsah vstupu RFin = 5− 104 MHz• maximálńı kmitočet fázového komparátoru fkomp = 55 MHz• napájećı napět́ı AVDD = 2, 7− 5, 5 V• maximálńı napájećı proud obvodu IDD(ALDD +DlDD) = 5, 5 mA

27

2.4.2 Popis a funkce obvodu ADF4110

Hlavńı část́ı obvodu je ńızko šumový fázový detektor PFD (PFD - Phase Frequency

Detector), který ovládá nábojovou pumpu obvodu. Tento PFD detektor obsahuje

možnost naprogramovat zpožděńı, které kontroluje délku pulzu v PFD. T́ımto zpožděńım

se vylepšuje přenosová funkce detektoru a docháźı k minimalizaci fázového šumu

a referenčńıho rušeńı [3]. Délku pulz̊u určuj́ı dva bity v registru referenčńıho č́ıtače

tabulka 2.4 [3].

Obvod dále umožňuje nastaveńı velikost proudu nábojové pumpy v rozsahu 0,29

až 8,70 mA, který je určen vztahem 2.1.

ICPmax =23, 5

RSET[mA] (2.1)

kde:

• ICPmax je maximálńı výstupńı proud nábojové pumpy v mA,• RSET představuje velikost rezistoru připojeného mezi pin 1 a GND 12.

Aby nábojová pumpa pracovala s takto určeným výstupńım proudem, je zapotřeb́ı

ještě tento proud nastavit v inicializačńım, nebo funkčńım registru13.

Tab. 2.4: Nastaveńı zpožděńı v registru referenčńıho č́ıtače

ABP2 ABP1 Délka pulzu

0 0 3,0 ns

0 1 1,5 ns

1 0 6,0 ns

1 1 3,0 ns

Blokové schéma obvodu je na obr. 2.4 a význam jednotlivých pin̊u uvád́ı tabulka

2.6. Na pin REFIN se přivede signál z referenčńıho generátoru, který je vydělen

referenčńım děličem R (realizovaným jako č́ıtač), a přiveden na vstup komparátoru.

Signál z napět́ım ř́ızeného oscilátoru je přiveden na pin RFINA. Tento signál je dále

upraven děliči a přiveden na druhý vstup komparátoru.

Chybové napět́ı, které vznikne komparaćı referenčńıho signálu a signálu z napět́ım

ř́ızeného oscilátoru, ovládá nábojovou pumpu. Na výstup nábojové pumpy je připojený

integračńı článek, ze kterého se odeb́ırá napět́ı pro napět́ım ř́ızený oscilátor.

12 Plat́ı pro typ pouzdra TSSOP13Zálež́ı na konfiguraci inicializace obvodu.

28

Tab. 2.5: Nastaveńı a funkce multiplexeru MUXOUT

M3 M2 M1 Výstup

0 0 0 tř́ı-stavový výstup

0 0 1 digitálńı detekce

0 1 0 výstup č́ıtače N

0 1 1 DVDD

1 0 0 výstup č́ıtače R

1 0 1 analogová detekce

1 1 0 výstup sériových dat

1 1 1 DGND

Tab. 2.6: Popis pin̊u ADF4110, pouzdro TSSOP [3]

č. pinu Význam

1 RSET - nastaveńı výstupńıho proudu nábojové pumpy

2 CP - výstup nábojové pumpy

3 CPGND - uzemněńı nábojové pumpy

4 AGND - uzemněńı analogové části

5 RFINB - komplementárńı vstup předděliče

6 RFINA - vstup předděliče

7 AVDD - napájeńı analogové části. Napájećı napět́ı 2,7V až 5,5V

8 REFIN - vstup referenčńıho kmitočtu

9 DGND - digitálńı uzemněńı

10 CE - povoleńı obvodu

11 CLK - hodinový vstup

12 DATA - datový vstup

13 LE - načteńı dat

14 MUXOUT - výstup multiplexeru, umožňuje nastaveńı několika funkćı

15 DVDD - napájeńı digitálńı části (2,2 - 5,5V)

16 VP - napájeńı nábojové pumpy

Obvod umožňuje, pomoćı výstupu multiplexeru MUXOUT, nastavit funkce,

které maj́ı př́ıstup do r̊uzných část́ı obvodu. MUXOUT se nastavuje pomoćı třech

bit̊u ve funkčńım registru. Jeho možnosti jsou uvedeny v tabulce 2.5

29

Obr. 2.4: Funkčńı blokové schéma ADF4110 [3]

2.4.3 Rychlý ř́ızený předdělič P/(P+1)

Tento rychlý ř́ızený předdělič (obr. 2.5) umožňuje nastavit děĺıćı poměr ve velkém

rozsahu. Hodnoty děĺıćıch poměr̊u znázorňuje tabulka 2.7.

Nejprve se nastav́ı počátečńı hodnoty č́ıtač̊u A, B a děĺıćı poměr předděliče na

P+1. S každou přicházej́ıćı periodou vstupńıho signálu č́ıtaj́ı (směrem dol̊u) č́ıtače A

a B. V okamžiku, kdy č́ıtač A dosáhne nulové hodnoty, přepne se předdělič P/(P+1)

na děĺıćı poměr P.

Výhoda takto konstruovaného předděliče je ta, že s pomoćı č́ıtače B je možné

nastavit přibližně požadovaný výstupńı kmitočet syntezátoru a č́ıtačem A tento

kmitočet jemně doladit.

30

PředděličP/P+1

A čítač B čítač

Vstupní kmitočet

Nastavení dělícího poměru

Výstupní kmitočet

Nastavení honot čítačů A,B

Obr. 2.5: Rychlý předdělič P/(P+1) [3]

Tab. 2.7: Nastavitelné hodnoty předděliče [3]

P2 P1 Hodnota předděliče

0 0 8/9

0 1 16/17

1 0 32/33

1 1 64/65

2.4.4 Určeńı frekvence VCO

Č́ıtače A a B spolu s předděličem P/(P+1) umožňuj́ı generovat kmitočet, který je

závislý na vstupńım referenčńım kmitočtu vyděleném referenčńım děličem R. Výsledný

kmitočet poté odpov́ıdá vztahu 2.2

fV CO = (P ·B + A) ·fREFINR

(2.2)

Význam jednotlivých symbol̊u tohoto vztahu je následuj́ıćı:

• fV CO je výstupńı kmitočet exterńıho oscilátoru VCO• P - hodnota předděliče• B - odpov́ıdá děĺıćımu poměru 13-bitového č́ıtače (rozsah č́ıtače je 3 až 8191)• A - prezentuje 6-bitový swallow č́ıtač (rozsah 0 až 63) [2]• fREF - výstupńı frekvence exterńıho referenčńıho oscilátoru• R - programovatelný 14-bitový referenčńı č́ıtač (rozsah 0 až 16383)

31

2.4.5 Komunikace s PLL syntezátorem

Odeśıláńı dat do obvodu fázového závěsu prob́ıhá prostřednictv́ım SPI rozhrańı.

Data jsou pośılána na vstupńı pin DATA a jsou zapsána do vstupńıho registru

s nástupnou hranou na hodinovém pinu CLK [9]. Po naplněńı 24-bitového registru

je nutné vygenerovat nástupnou hranu na vstupu LE a t́ım se hodnoty z registr̊u

načtou do záchytných registr̊u[3] vže je názorné z obr. 2.6

Obr. 2.6: Časový diagram komunikace s [3].

V datech, která jsou pośıláńı přes SPI jsou informace pro jednotlivé nastavovaćı

registry ADF4110 [3]. Tyto nastavovaćı registry jsou:

• Registr referenčńıho č́ıtače R - obsahuje data pro nastaveńı děĺıćıho poměruvstupńıho referenčńıho č́ıtače R.

• Registr č́ıtače N - tento registr nastavuje hodnoty č́ıtač̊u A a B.• Funkčńı registr - svými daty nastavuje speciálńı vlastnosti zař́ızeńı jako jsou

hodnoty předděliče, výstupńı proud nábojové pumpy a parametry pro rese-

továńı č́ıtač̊u.

• Inicializačńı registr - má stejnou strukturu jako funkčńı registr.

Prostřednictv́ım SPI jsou do syntezátoru pośılána data, která obsahuj́ı př́ıslušné

rámce o délce 24 bit̊u. V každém z 24 bitových rámc̊u jsou dva bity (kontrolńı bity)

s nejnižš́ı hodnotou rezervovány pro rozpoznáńı daného rámce. V obvodu fázového

závěsu jsou následně jednotlivé rozděleny a z dat těchto rámc̊u jsou nastaveny funkce

obvodu fázového závěsu. Tabulka 2.8 udává rozděleńı př́ıslušných registr̊u dle kont-

rolńıch bit̊u.

32

Tab. 2.8: Nastaveńı kontrolńıch bit̊u jednotlivých registr̊u [3]

Název registru Kontrolńı bity

DB1 DB0

Registr referenčńıho děliče R 0 0

Registr č́ıtače N 0 1

Registr funkćı 1 0

Inicializačńı registr 1 1

2.4.6 Programováńı obvodu fázového závěsu

Registry obvodu fázového závěsu nejdou naprogramovat libovolným zp̊usobem.

Výrobcem jsou uvedeny tři speciálńı metody, podle kterých lze správně naprogra-

movat registry obvodu ADF4110.

Metoda využ́ıvaj́ıćı inicializačńı registr

Po připojeńı obvodu fázového závěsu k napájećımu napět́ı jsou do obvodu odeslána

data inicializačńıho registru. Poté jsou odeslána data referenčńıho registru a následně

data pro nastaveńı č́ıtače N.

CE metoda

Tato metoda využ́ıvá pinu CE (viz tabulka 2.6). Nejprve se k obvodu připoj́ı

napájećı napět́ı a na pin CE se přivede ńızká úroveň. T́ımto se stane obvod ne-

aktivńım a je možné ho naprogramovat. Nejprve se naprogramuje funkčńı registr,

pak referenčńı registr a nakonec registr č́ıtače N. Jakmile jsou data odeslána do ob-

vodu fázového závěsu, přivede se pin CE do vysoké úrovně a t́ım se aktivuje funkce

fázového závěsu.

Výhodou tohoto zp̊usobu programováńı obvodu je možnost kdykoliv obvod,

přivedeńım ńızké úrovně na pin CE, odpojit a zkontrolovat př́ıpadnou kanálovou

aktivitu [3]. Po zpětném přivedeńı pinu CE do vysoké úrovně neńı nutné znovu

naprogramovat př́ıslušné registry.

Metoda resetováńı č́ıtač̊u

K obvodu fázového závěsu se připoj́ı napájećı napět́ı a ve funkčńım registru se

nastav́ı parametr, jenž zpř́ıstupńı resetováńı č́ıtač̊u. Poté se funkčńı registr odešle

do obvodu fázového závěsu. Následně se odešle referenčńı registr a registr č́ıtače

33

N. Jakmile se odešlou data pro předešlé registry, zakáže se ve funkčńım registru

resetováńı č́ıtač̊u a opět se data funkčńıho registru odešlou do obvodu.

2.5 Vhodný napět́ım ř́ızený ocilátor

V p̊uvodńım zapojeńı oscilátoru se poč́ıtalo se zapojeńım integrovaného obvodu

oscilátoru MAX2606 a zesilovače MAX2471. Vyskytly se ovšem pot́ıže se źıskáńım

obvod̊u, a proto byl zvolen jako vhodný kompromis integrovaný obvod TDA5331T.

2.5.1 Monolitický obvod TDA5331T

TDA5331T je monolitický integrovaný obvod od firmy Philips Semiconductor.

Tento obvod vycháźı z obvodu TDA5330T, jen s t́ım rozd́ılem, že význam jeho

vstupńıch pin̊u je zrcadlově otočený [10]. TDA5331T se skládá z tř́ıpásmového

směšovače, třech oscilátor̊u a zesilovače. Výběr daného oscilátoru je určen přivedeným

napět́ım na pin 17 obvodu TDA5331T.

Nejd̊uležitěǰśı parametry uvád́ı tabulka 2.9. Blokové zapojeńı obvodu je uvedeno

v př́ıloze G.1.

Tab. 2.9: Rozděleńı pásem TDA5331T [10]

Parametr Min. Max. Jednotka

Kmitočtový rozsah pásma A 48 180 MHz

Kmitočtový rozsah pásma B 160 470 MHz

Kmitočtový rozsah pásma C 430 860 MHz

Napájećı napět́ı - 12 V

34

3 ŘEŠENÍ GRAFICKÉHO ROZHRANÍ

Grafické rozhrańı je řešeno v prostřed́ı Visual Studio 2010 s použit́ım jazyka C#

a technologie .NET Framework 4.0. Výsledný program má podobu formuláře, který

obsahuje uživatelskou a komunikačńı část.

Uživatelská část programu umožňuje nastavit kompletńı parametry a chováńı ob-

vodu fázového závěsu ADF4110. A komunikačńı část zprostředkovává komunikace

mezi poč́ıtačovou sběrnićı USB a PLL syntezátorem. Toto rozhrańı je koncipováno

tak, aby uživatel měl co možná největš́ı přehled o nastavených parametrech syn-

tezátoru. Dále aplikace umožňuje náhled do základńıho popisu ovládáńı a možnosti

nastaveńı zař́ızeńı pomoćı daľśıch pěti formulář̊u.

3.1 Popis grafického rozhrańı

Na obrázku v př́ıloze B.1 je vytvořené grafické rozhrańı. V horńı části rozhrańı

se nacháźı nejzákladněǰśı nastaveńı programu:

• Zp̊usob zadáváńı hodnot pro PLL - určuje jakým zp̊usobem bude uživatelprogram ovládat.

• Nastaveńı kmitočtu a kmitočtového kroku - do těchto dvou editačńıch řádk̊uuživatel zadává patřičné hodnoty.

• Load - po stisku tohoto tlač́ıtka aplikace, odešle data do syntezátoru.• Check - po stisku tlač́ıtka docháźı k přepočtu hodnot kmitočtu a kmitočtového

kroku syntezátoru.

V daľśı části grafického rozhrańı se nacháźı blok tvořený třemi 24-bitovými rámci,

které představuj́ı nastaveńı jednotlivých bit̊u v registrech ADF4110. Popis těchto

rámc̊u je ponechán v anglickém jazyce z d̊uvodu snadného vyhledáváńı informaćı z

katalogových list̊u výrobce.

3.2 Vývojový diagram aplikace

Vývojový diagram aplikace je uveden na obrázku3.1. Po spuštěńı programu je za-

volán konstruktor hlavńı tř́ıdy, který nastav́ı hodnoty př́ıslušných proměnných a ini-

cializuje veškeré grafické komponenty programu. Hodnoty proměnných jsou zvoleny

tak, aby bylo možné, po zapnut́ı programu, ihned použ́ıvat PLL syntezátor v roz-

sahu 150-300 MHz. V př́ıpadě použit́ı jiného syntezátoru, nebo jiného kmitočtového

rozsahu, je nutné v př́ıslušném formuláři aplikace, tyto hodnoty přenastavit.

Po inicializaci celé aplikace je vybrán zp̊usob ovládáńı aplikace. Zp̊usoby ovládáńı

grafického rozhrańı jsou následuj́ıćı:

35

• Manual control - manuálńı ovládáńı.• Automatic control - automatické ovládáńı.• Normal - standardńı ovládáńı.Jakmile je vybrán zp̊usob ovládáńı a jsou uživatelem nastaveny požadované hod-

noty, program provede připojeńı k syntezátoru, do kterého jsou odeslána př́ıslušná

data. Je-li obvod syntezátoru nepřipojen k poč́ıtači, vyvolá program výjimku, a t́ım

je znemožněno posláńı dat až do doby připojeńı syntezátoru k poč́ıtači.

Obr. 3.1: Vývojový diagram grafického rozhrańı.

36

3.3 Ovládáńı a nastaveńı programu grafického roz-

hrańı

Pro jednoduché a efektivńı nastaveńı výstupńıho kmitočtu syntezátoru jsou v

programu vytvořeny tři pomocné tř́ıdy. Hlavńı tř́ıdou je tř́ıda IO settings, ve které se

nacháźı základńı parametry obvod̊u ADF4110 až ADF4113 a proměnné usnadňuj́ıćı

výpočet kmitočtu, kmitočtového kroku a předděliče. Zbylé dvě tř́ıdy jsou tř́ıdy, které

děd́ı veškeré parametry a proměnné z hlavńı tř́ıdy.

3.3.1 Manuálńı ovládáńı grafického rozhrańı

Zvoleńım manuálńıho zp̊usobu ovládáńı jsou vybrané komponenty zpř́ıstupněny

(tlač́ıtka pro nastaveńı hodnot č́ıtač̊u) a zbylé zablokovány. T́ım je program chráněný

proti nevhodně nastaveným parametr̊um a je umožněno větš́ı přehlednosti programu.

Pro manuálńı ovládáńı program využ́ıvá tř́ıdu ManualClass, která děd́ı veškeré

parametry ze tř́ıdy IO settings. Součásti tř́ıdy jsou tři metody, jenž umožňuj́ı výpočet

parametr̊u kmitočtu, kmitočtového kroku a předděliče. Předáváńı těchto hodnot je

realizováno pomoćı veřejných vlastnost́ı.

3.3.2 Automatické ovládáńı grafického rozhrańı

T́ımto výběrem jsou zablokovány všechny komponenty kromě editačńıch řádk̊u

pro zápis kmitočtu a kmitočtového kroku. V tomto režimu program využ́ıvá tř́ıdu

AutoClass, která děd́ı veškeré parametry z tř́ıdy IO settings. Dále obsahuje tř́ıda

AutoClass obsahuje vlastnosti, které v sobě definuj́ı speciálńı funkce, jenž kontroluj́ı

správnost nastavovaných dat. Touto kontrolou docháźı k opravě nesmyslně nasta-

vených hodnot uživatelem.

3.3.3 Standardńı ovládáńı

Tato možnost ovládáńı programu zpř́ıstupńı veškeré komponenty nacházej́ıćı se

na formuláři aplikace. V tomto režimu se daj́ı rychle a efektivně nastavit všechny

parametry obvodu fázového závěsu, kromě procedur, jenž jsou určené pro naprogra-

mováńı obvodu ADF4110. Při použit́ı standardńıho ovládáńı nejsou data, nastavená

uživatelem, kontrolována poč́ıtačem a tud́ıž může doj́ıt k tomu, že se obvod nena-

programuje.

37

3.3.4 Nastaveńı vlastnost́ı programu

Vzhledem k tomu, že obvod fázového závěsu umožňuje nastavit spoustu doplňuj́ıćıch

parametr̊u, které vylepšuj́ı vlastnosti celého obvodu, je v programu zapouzdřeno

několik formulář̊u, pomoćı kterých je možné tyto funkce nastavit. V těchto for-

mulář́ıch jsou vhodně rozděleny veškeré parametry, které obvod fázového závěsu

umožňuje nastavit. Tyto parametry jsou uvedeny v datasheetu výrobce [3].

Nastaveńı parametr̊u prob́ıhá skrze hlavńı tř́ıdu programu, ve které je definováno

šest delegát̊u 1, které pomoćı zpětných volaćıch funkćı umožňuj́ı nastavit potřebné

parametry z př́ıslušných formulář̊u. Všechny formuláře jsou uvedeny v př́ıloze D.

3.4 Komunikace programu s obvodem fázového

závěsu

Komunikace mezi programem a obvodem fázového závěsu prob́ıhá, tak že se

nejprve otestuje připojeńı zař́ızeńı syntezátoru k poč́ıtači. Je-li připojeno, nastav́ı

se požadovaná rychlost přenosu a režim Bit Bang. Po tomto připojeńı program

přistouṕı k samotné komunikaci s obvodem fázového závěsu dle blokového diagramu

3.2.

Komunikace je složena z veřejných metod nacházej́ıćıch se ve tř́ıdě hlavńıho pro-

gramu, které předávaj́ı parametry veřejným metodám v pomocné tř́ıdě FTDI FT232-

RL, jenž umožňuje komunikaci s obvodem FT232RL.

Hodinový signál je ř́ızený softwarově a jeho hodnotu je možné nastavit. V př́ıpadě,

že hodnota hodinového signálu nabývá vysoké úrovně, přičte se k pomocné proměnné

typu byte konstanta, jenž představuje váhu daného bitu na obvodu FT232RL v režimu

Bit Bang. Váhy použitých bit̊u jsou uvedené v tabulce 3.1.Současně s nastavováńım

hodinového signálu prob́ıhá nastavováńı dat pro naprogramováńı vnitřńıch registr̊u

obvodu ADF4110, dat pro pin LE a pin CE2. Po nastaveńı pomocné proměnné

je programem vykonáno odesláńı těchto dat na výstup obvodu FT232RL, tedy na

vstup komunikačńıch pin̊u obvodu ADF4110.

3.5 Výpočet hodnot č́ıtač̊u a předděliče

Pro spolehlivou funkci syntezátoru je nutné správně nastavit referenčńı č́ıtač R,

č́ıtače A,B a vhodnou velikost předděliče. Z toho d̊uvodu jsou zde uvedeny př́ıslušné

vztahy pro jejich výpočet, dle kterých grafické rozhrańı poč́ıtá.

1Delegát je typově bezpečný objekt, jenž ukazuje na jinou metodu [16]2Nastaveńı CE je vždy ve vysoké úrovni. Výjimka je v př́ıpadě použit́ı CE inicializačńı metody.

38

Obr. 3.2: Blokový diagram komunikace hlavńıho programu s obvodem fázového

závěsu.

Tab. 3.1: Váha bitu použitých výstup̊u FT232RL [14] a připojeńı ke vstupu

ADF4110.

Výstup Váha bitu Pin na ADF4110 Význam pinu

TXD 1 13 LE

RTS 4 10 CE

CTS 8 12 DATA

DSR 32 11 CLK

Kmitočtový krok syntezátoru je určený exterńım referenčńım oscilátorem a děličem

39

R. Signál z referenčńıho krystalového oscilátoru je vydělený hodnotou č́ıtače R a t́ım

je dosaženo požadovaného kmitočtového kroku podle 3.1 [9].

fkrok =fREFR

[Hz] (3.1)

Známe-li kmitočtový krok a maximálńı výstupńı kmitočet syntezátoru, vypočte se

hodnota č́ıtače N podle 3.2

N =fMAXfkrok

[−] (3.2)

Z hodnoty N se následně spoč́ıtá potřebný počet bit̊u č́ıtače N 3.3

α(N) =logN

log2[bit] (3.3)

Pokud počet bit̊u pro N vyjde větš́ı než 13 (což je velikost č́ıtače N v PLL syn-

tezátoru), je nutné použ́ıt nav́ıc rychlého předděliče a č́ıtače A. Děĺıćı poměr N pak

bude dán vztahem 3.4 [3].

N = B · P + A, (3.4)

Kde P je děĺıćı poměr předděliče, který uvád́ı tabulka 2.7. Poté se urč́ı počet bit̊u

č́ıtač̊u A a B dle vztahu 3.3.

40

4 NÁVRH PLL SYNTEZÁTORU

Obr. 4.1: Blokové uspořádáńı poč́ıtačem ř́ızeného syntezátoru.

Kompletńı uspořádáńı poč́ıtačem ř́ızeného syntezátoru je uvedeno na obrázku

4.1. Poč́ıtačem ř́ızený syntezátor se skládá ze třech část́ı:

• Poč́ıtač: V poč́ıtači je nainstalována technologie .NET 4, která umožňuje spuštěńıgrafického rozhrańı. Součást́ı poč́ıtače je USB sběrnice pro připojeńı daľśıch

periféríı.

• Modul USB: Tento modul se připojuje ke sběrnici USB poč́ıtače a obvodufázového závěsu. Komunikace mezi syntezátorem a poč́ıtačem je zprostředkovávána

prostřednictv́ım tohoto modulu.

• PLL syntezátor: Tvoř́ı hardwarovou část poč́ıtačem ř́ızeného syntezátoru. Skládáse z napět́ım ř́ızeného oscilátoru, obvodu fázového závěsu, referenčńıho os-

41

cilátoru a filtru smyčky PLL. Kompletńı cshéma PLL syntezátoru je uvedeno

v př́ıloze H.1.

4.1 Napět́ım ř́ızený oscilátor

Napět́ım ř́ızený oscilátor je napájen stabilizovaným napět́ım o velikosti 12V a je

tvořený obvodem TDA5331 s kmitavým LC obvodem.

Obvod TDA obsahuje zesilovač vnitřńıch oscilátor̊u. Jeho jeden vstup je přiveden

do obvodu ADF4110 a druhý lze použ́ıt jako výstup pro připojeńı spektrálńıho

analyzátoru.

Kmitavý LC obvod je tvořen kondenzátorem C9, varikapem BBY40 a ćıvkou L1.

Lad́ıćı napět́ı se přivád́ı ze zesilovače, který je součást́ı filtru smyčky, přes rezistor

R7. Frekvenčńı rozsah oscilátoru je nastavený rezistory R3 a R4 na rozsah 160-470

MHz.

Závislost kapacity varikapu na lad́ıćım napět́ı je přiložena v př́ıloze E.1. Z této

charakteristiky je patrné, že hodnota kapacity varikapu v rozsahu 0-15 V je přibližně

48-10 pF. V konfiguraci kondenzátoru C9, ćıvky L1 a varikapu D1 lze napět́ım ř́ızený

oscilátor rozmı́tat přibližně od 152 MHz do 320 MHz ( tabulka VCO 4.5).

Citlivost VCO je uvedena na obrázku 4.12.

4.2 Obvod fázového závěsu

Obvod fázového závěsu je tvořený integrovaným obvodem ADF4110. Jeho části -

analogová, digitálńı a obvod nábojové pumpy jsou napájeny stabilizovaným napět́ım

o velikosti 5V. Odpor R1 svoj́ı hodnotou určuje velikost proudu nábojové pumpy v

rozmeźı 1, 09− 8, 7 mA. Přesné nastaveńı výstupńıho proudu nábojové pumpy potézáviśı na nastaveńı registr̊u ADF4110.

Vstupy sériové komunikace jsou připojeny na konektor CON2. Ke konektoru je

rovněž připojený pin CE, který aktivuje, nebo deaktivuje funkci obvodu fázového

závěsu.

4.3 Referenčńı oscilátor

Jako referenčńı oscilátor byl zvolen Colpitts̊uv krystalový oscilátor. Jeho zapo-

jeńı je uvedeno na obrázku 4.4.

Obvod je napájen stabilizovaným napět́ım o velikost 5V. V bázi tranzistoru je

zapojený kapacitńı dělič, tvořený kondenzátory C25 a C26. Zpětná vazba vzniká

42

Obr. 4.2: Zapojeńı VCO s obvodem TDA5331T.

přivedeńım signálu z emitoru tranzistoru na vstup, prostřednictv́ım tohoto kapa-

citńıho děliče [21]. Střed kapacitńıho děliče je spojen s emitorem tranzistoru, ze

kterého je výsledný signál veden do obvodu fázového závěsu. Oscilátor kmitá mezi

sériovou a paralelńı rezonanćı krystalu, v závislosti na celkové kapacitě kapacitńıho

děliče [21]. Při návrhu zapojeńı bylo postupováno dle [20].

4.4 Filtr smyčky fázového závěsu

Jako filtr smyčky je použita dolńı propust s rail-to-rail operačńım zesilovačem

MC33071. Aby byl splněn požadavek pro laděńı VCO v rozsahu 0-15V je zesilovač

napájen napět́ım 15 V. Vzhledem k tomu, že maximálńı výstupńı napět́ı kmitočtově

fázového detektoru je 5 V, muśı mı́t zesilovač zisk 9, 5 dB.

Zapojeńı filtru smyčky je uvedeno na obrázku 4.7. Integrovaný zesilovač MC33071

je v tomto filtru zapojený jako neinvertuj́ıćı zesilovač, který třikrát ześıĺı napět́ı

přivedené na jeho neinvertuj́ıćı vstup. K neinvertuj́ıćımu vstupu zesilovače je připojena

pasivńı dolńı propust druhého řádu, na které se filtruje signál z nábojové pumpy

obvodu ADF4110.

Na obrázku 4.5 je znázorněna simulace, programem ADIsimPLL, otevřené smyčky

43

Obr. 4.3: Zapojeńı obvodu fázového závěsu.

obvodu fázového závěsu. Na obrázku je patrná š́ı̌rka pásma smyčky a fázová odchylka

filtru.

Obrázek 4.6 představuje simulaci kompletńıho systému fázového závěsu PLL

a VCO. Z pr̊uběhu amplitudy je zřejmé, že fázový šum je nejv́ıce redukován uv-

nitř pásma smyčky PLL. Dále je patrný nár̊ust úrovně fázového šumu na kmitočtu

odpov́ıdaj́ıćımu š́ı̌rce pásma smyčky PLL.

Impedance pasivńı dolńı propusti lze určit následně [23] :

Z(s) =s(C13 ·R12) + 1

s2(C13 · C14 ·R12) + sC13 + sC14[Ω] (4.1)

Ze vztahu pro impedanci 4.1 filtru se daj́ı určit časové konstanty:

T1 = R12C13 · C14C13 + C14

[s] (4.2)

T2 = R12 · C13 [s] (4.3)

44

Obr. 4.4: Zapojeńı referenčńıho oscilátoru.

4.4.1 Výpočet hodnot pasivńıho filtru

Výpočet hodnot součástek pasivńıho filtru byl určen dle postupu uvedeného v li-

teratuře [23]. Návrh filtru vycházel ze znalosti š́ı̌rky pásma smyčky, při které má

přenosová funkce otevřené smyčky zisk 0 dB, a fázové odchylky filtru [23]. Fázová

odchylka je rozd́ıl fáze proti referenčńı hodnotě −180 ◦ na frekvenci, kde má otevřenásmyčka jednotkový zisk [24]. Pro parametry uvedené v tabulce 4.1 jsou hodnoty jed-

notlivých prvk̊u filtru následuj́ıćı.

Dle vztah̊u 4.4 a 4.5 se urč́ı časové konstanty T1 a T2:

T1 =1/cos(φp)− tg(φp)

ωp= 7, 468 · 10−6 s (4.4)

T2 =1

ω2p · T1= 6, 193 · 10−5 s (4.5)

45

Obr. 4.5: Simulace otevřené smyčky PLL závěsu.

Tab. 4.1: Parametry nutné pro určeńı hodnot součástek filtru.

Zkratka Hodnota Popis

Kpd 8, 7mA Zisk nábojové pumpy

KV CO 38MHz/V Směrnice lad́ıćıho napět́ı VCO

ωp 7, 12kHz Š́ı̌rka pásma smyčky

φp 51, 7◦ Fázová odchylka

N 5000 Hlavńı děĺıćı poměr č́ıtače N

Výsledné hodnoty T1 a T2 lze poté dosadit do 4.6 následuj́ıćıho vztahu pro

výpočet kondenzátoru C14:

C14 =T1T2· Kpd ·KV CO

ω2p ·N·

√√√√1 + (ωp · T2)21 + (ωp · T1)2

= 10, 62 nF (4.6)

C13 se urč́ı dle vztahu 4.7:

C13 = C14 · (T2T1− 1) = 77, 45 nF (4.7)

Nakonec se z hodnot vypočtených v 4.7 a 4.5 urč́ı R12:

46

Obr. 4.6: Simulace kompletńıho systému PLL s VCO.

R12 =T2C2

= 799, 626 Ω (4.8)

Pro porovnáńı jsou v tabulce uvedené vypočtené hodnoty dle [23] a hodnoty

vypočtené programem ADIsimPLL.

Tab. 4.2: Změřené parametry napět́ım ř́ızeného oscilátoru.

Součástka Hodnota vypočtená ADIsimPLL

C13 77, 45nF 77, 4nF

C14 10, 62nF 10nF

R12 799, 6Ω 1kΩ

4.5 Modul pro připojeńı k USB

Aby bylo dosaženo co možná největš́ı využitelnosti programu PLL syntezátoru, je

modul vyrobený na samostatné desce plošných spoj̊u. Modul umožňuje komunikaci s

47

Obr. 4.7: Schéma použitého filtru.

USB sběrnici a může být připojený k jakémukoliv obvodu z řady ADF4110. Zapojeńı

USB modulu je uvedeno na obrázku 4.8.

Obr. 4.8: Zapojeńı modulu.

48

Zapojeńı USB modulu je převzato z [14]. Jádro modulu tvoř́ı integrovaný převodńık

FT232RL, který je napájen ze sběrnice USB. Výstupy TXD, RTS, CTS a DSR

jsou připojeny ke konektoru CON1, ke kterému se plochým kabelem a propojkou

připojuje PLL syntezátor.

4.5.1 Konfigurace modulu

Pro správnou funkci USB modulu bylo nutné nainstalovat př́ıslušné ovladače,

a to jak D2XX, tak ovladače pro virtuálńı sériový port.

Po nainstalováńı ovladač̊u byl USB modul připojen k USB sběrnici poč́ıtače

a provedla se základńı konfigurace, která spoč́ıvala v naprogramováńı vnitřńı paměti

EEPROM1 v programu MPROG verze 3.0, který je přiložen v př́ıloze C.1. Jakmile

došlo ke spuštěńı programu MPROG, byl vytvořen nový profil, do kterého se doplnily

parametry dle tabulky 4.3.

Tab. 4.3: Parametry pro správné naprogramováńı vnitřńı EEPROM obvodu

FT232RL.

Parametr Hodnota Popis

Device Type FT232R Název použitého obvodu.

Vendor ID 0403 Defaultńı hodnota [15].

Product ID 6001 Defaultńı hodnota [15].

DProduct Descriotion USBmodul Jméno zař́ızeńı pod kterým se bude reprezentovat.

Bus Powered 100 mA Maximálńı povolený napájećı proud.

4.6 Měřeńı PLL syntezátoru

Měřeńı spektra poč́ıtačem ř́ızeného syntezátoru prob́ıhalo na př́ıstroji Rohde&-

Schwarz FSL3 9 kHz-3GHz, ev. č. 624-401. Blokové zapojeńı pracovǐstě je uvedeno

na obrázku 4.9.

K spektrálńım analyzátoru byl připojený attenuátor, který umožnil připojeńı

PLL syntetizeru pomoćı kabelu s konektory BNC. Výstup PLL syntezátoru představoval

výstupńı pin zesilovače integorvaného obvodu TDA5331T. Tento zesilovač měl výstupńı

impedanci 50Ω a tud́ıž nevznikly problémy s připojeńım měř́ıćıho kabelu.

1EEPROM - Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory. Jedná se o elektricky

mazatelnou pamět’.

49

Obr. 4.9: Zapojeńı pracovǐstě pro měřeńı spektra PLL syntezátoru.

Na obrázku 4.10 je zobrazena spektrálńı výkonová hustota výstupu PLL syn-

tezátoru na kmitočtu fc = 180 MHz. Kmitočtový krok syntezátoru byl nastavený

na hodnotu 40 kHz. Na obrázku je vidět úsek spektra o š́ı̌rce 200 kHz a rozlǐsovaćı

š́ı̌rce filtru RBW = 300 Hz. Výstupńı proud nábojové pumpy obvodu ADF4110 byl

nastavený na hodnotu 8, 7 mA.

Z naměřené spektrálńı hustoty jsou patrné parazitńı složky signálu PLL na

kmitočtech f − c ± fr, fc ± 2fr, kde fr představuje referenčńı kmitočet vydělenýděličem R.

Na obrázku 4.11 je zobrazena výstupńı spektrálńı hustota PLL syntezátoru.

Zobrazený úsek má š́ı̌rku 1 MHz. Ve spektru lze pozorovat spoustu parazitńıch

spektrálńıch čar, které jsou na kmitočtech, jenž je násobkem kmitočtu fr. Velikost

výkonu jednotlivých spektrálńıch čar je uvedena v tabulce

Tab. 4.4: Výkon parazitńıch složek spektra PLL syntezátoru.

Kmitočet [MHz] Výkon [dBm]

fc ± fr -58,0fc ± 2fr -69,0fc ± 3fr -77,2fc ± 4fr -81,1fc ± 5fr -85,0fc ± 6fr -87,6fc ± 7fr -89,0fc ± 8fr -91,5fc ± 9fr -93,5fc ± 10fr -96,0

50

Obr. 4.10: Spektrum na výstupu poč́ıtačem ř́ızeného syntezátoru (Span = 200 kHz).

4.6.1 Měřeńı VCO

Na obrázku 4.12 je znázorněna změřená závislost výstupńıho kmitočtu napět́ım

ř́ızeného oscilátoru na napět́ı přiváděném na dolńı propust. Maximálńı velikost

napět́ı na dolńı propusti dosahuje hodnoty 5 V. Toto napět́ı je operačńım zesi-

lovačem třikrát ześıleno, a t́ım je dosaženo, že lad́ıćı napět́ı na varikapu se pohybuje

v rozmeźı 0-15 V. Změřené hodnoty jsou uvedeny v tabulce 4.5.

51

Obr. 4.11: Spektrum na výstupu poč́ıtačem ř́ızeného syntezátoru (Span = 1 MHz).

Tab. 4.5: Změřená závislost kmitočtu VCO na napět́ım .

Napět́ı [V ] Kmitočet [MHz]

0,00 152,68

0,09 154,69

0,10 155,00

0,57 180,61

0,87 194,58

1,35 214,24

1,95 236,68

2,16 244,74

2,88 270,70

3,51 291,38

3,91 303,22

4,00 306,81

4,43 306,81

5,00 320,00

52

Obr. 4.12: Závislost frekvence VCO na napět́ı na dolńı propusti.

53

5 ZÁVĚR

V prvńı kapitole této práce byly popsány r̊uzné druhy konstruovaných syn-

tezátor̊u, jejich základńı parametry a vlastnosti.

Druhá kapitola se věnuje rozboru daného zadáńı. Nacháźı se v ńı popisy použité

technologie, sběrnice USB a použitých obvod̊u. U použitých obvod̊u jsou stručně

shrnuty jejich nejzákladněǰśı parametry a jejich výhody.

Jako nejvhodněǰśı obvod, pro komunikaci mezi USB sběrnićı a syntezátorem, byl

vybrán obvod od firmy FTDI chip - FT232RL, který s pomoćı ovládaćıho rozhrańı

a D2XX ovladače, komunikuje spolehlivě s USB sběrnićı.

Pro konstrukci PLL syntezátoru byl zvolen obvod fázového závěsu od firmy Ana-

log Devices - ADF4110. Referenčńı signál pro obvod ADF4110 byl vytvořen Col-

pittsovým oscilátorem, který byl ř́ızený krystalem o kmitočtu 10 MHz. Pro napět́ım

ř́ızený oscilátor byl vybrán obvod TDA5331T.

V třet́ı kapitole je popsán návrh grafického rozhrańı, jeho struktura a vzhled.

Pro programováńı rozhrańı byl vybrán programovaćı jazyk C#, který společně s

technologíı .NET4 představuje mocný programovaćı nástroj. Rovněž kapitola ob-

sahuje nast́ıněńı technik použitých při programováńı. Vše je doplněno př́ıslušnými

vývojovými diagramy.

V posledńı kapitole je popsáno hardwarové řešeńı poč́ıtačem ř́ızeného syntezátoru.

Kapitola je rozdělena do jednotlivých blok̊u syntezátoru a je doplněna schématy za-

pojeńı. Rovněž tato část obsahuje naměřené hodnoty na výstupu syntezátoru.

54

LITERATURA

[1] PROKEŠ, A. Rádiové přij́ımače a vyśılače: Přednášky. Brno: FEKT VUT v

Brně, 2005. 178 s. ISBN 80-214-2263-7.

[2] HANUS, S.,SVAČINA,J. Vysokofrekvenčńı a mikrovlná technika: Přednášky.

Brno: FEKT VUT v Brně, 2002. 208 s. ISBN 80-214-2263-7.

[3] Katalogový list ADF4110 [online]. [cit.24.12.2010]. Dostupný z WWW:

.

[4] Katalogový list MAX2606 [online]. [cit. 24. 12. 2010]. Dostupný z WWW: .

[5] Katalogový list MAX2471 [online]. [cit. 20. 12. 2010]. Dostupný z WWW: .

[6] CURTIN, M.,O’BRIEN,P. Phase-Locked Loops for High-Frequency Receivers

and Transmitters [online]. Norwood: Analog Devices, 1999-[cit. 20. 12. 2010].

Dostupný z WWW: .

[7] BARRETT, C. Fraction/Integer-N PLL Basics [online]. Dallas: Texas Instru-

ments, 1999-[cit. 20. 12. 2010]. Dostupný z WWW: .

[8] MATOUŠEK, D. USB prakticky s obvody FTDI. Praha: BEN - technická lite-

ratura, 2009. 272 s. ISBN 80-7300-103-9.

[9] SOBOTKA, M. Ovládaćı panel VKV rádia:bakalářská práce.[online]. BRNO:

VUT Fakulta elektrotechniky a komunikačńıch technologíı, 1998-[cit. 20. 12.

2010].67 s. Dostupný z WWW: .

[10] Katalogový list TDA5330T [online]. [cit.24.4.2011]. Dostupný z WWW:

.

[11] Wikipedie[online]. [cit. 22. 4. 2011]. Dostupný z WWW: .

[12] ZELA, J. Syntezátor kmitočtu s frakčńı syntézou:diplomová práce. [online].

PRAHA: ČVUT Fakulta elektrotechniká, katedra radioelektroniky, 2004-[cit.

29. 4. 2011].96 s. Dostupný z WWW: .

55

http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADF4110_4111_4112_4113.pdfhttp://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADF4110_4111_4112_4113.pdfhttp://www.pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/MAX2605-MAX2609.pdfhttp://www.pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/MAX2605-MAX2609.pdfhttp://www.datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX2470-MAX2471.pdfhttp://www.datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX2470-MAX2471.pdfhttp://analog.comhttp://ti.comhttp://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=18459&lang=0http://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=18459&lang=0http://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=18459&lang=0http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/19385/PHILIPS/TDA5330T.htmlhttp://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/19385/PHILIPS/TDA5330T.htmlhttp://cs.wikipedia.org/wiki/Universal_Serial_Bushttp://cs.wikipedia.org/wiki/Universal_Serial_Bushttp://www.ieee.cz/mtt/soutez04/prace/Diplomova_prace_Jan_Zela_2004.pdfhttp://www.ieee.cz/mtt/soutez04/prace/Diplomova_prace_Jan_Zela_2004.pdf

[13] VÁGNER, P. Syntezátor kmitočtu v pásmu X:diplomová práce. [online]. Brno:

VUT Fakulta elektrotechniká, ústav radioelektroniky, 2004-[cit. 29. 4. 2011].71

s. Dostupný z WWW: .

[14] Konstrukčńı elektronika Popis obvodu FT232RL Praha: AMARO, 2009. 40 s.

ISSN 1211-3557.

[15] USB Vendor ID/ Product ID Guidelines [online]. [cit.30.4.2011]. Dostupný

z WWW:.

[16] TROELSEN, A. C# a .NET 2.0 profesionálně. Brno: FEKT VUT v Brně,

2002. 1197 s. ISBN 80-86815-42-0.

[17] Stručný úvod do technologie .NET [online]. [cit.30.4.2011]. Dostupný z WWW:

.

[18] Wikipedie[online]. [cit. 22. 4. 2011]. Dostupný z WWW: .

[19] Katalogový list BBY40 [online]. [cit.24.12.2010]. Dostupný z WWW: .

[20] Transistor crystal oscillator circuit [online]. [cit.24.12.2010]. Dostupný

z WWW: .

[21] MALINA, V. Poznáváme elektroniku V. České Budějovice: KOPP, 2001. 343 s.

ISBN 80-7232-114-5.

[22] DOBEŠ, J. Fázový šum oscilátor̊u [online]. [cit.24.12.2010]. Dostupný z WWW:

.

[23] An Analysis and performance Evaluation of Passive Filter Design Technique for

Charge Pump Phase-Locked Loops [online]. [cit.25.5.2011]. Dostupný z WWW:

.

[24] DANĚK, K. Moderńı rádiový přij́ımač - kniha o jeho návrhu Praha: BEN -

technická literatura, 2005. 215 s. ISBN 80-7300-142-X.

[25] MATOUŠEK, D. USB prakticky s obvody FTDI. Praha: BEN - technická lite-

ratura, 2009. 272 s. ISBN 80-7300-103-9.

56

http://www.urel.feec.vutbr.cz/esl/files/Projects/StudentProjects/Vagner/diplomka.pdfhttp://www.urel.feec.vutbr.cz/esl/files/Projects/StudentProjects/Vagner/diplomka.pdfhttp://www.ftdichip.com/Support/Documents/TechnicalNotes/TN_100_USB_VID-PID_Guidelines.pdfhttp://www.ftdichip.com/Support/Documents/TechnicalNotes/TN_100_USB_VID-PID_Guidelines.pdfhttp://www.cs.vsb.cz/behalek/frvs/2005/dotnet/uvod.pdfhttp://cs.wikipedia.org/wiki/C_Sharphttp://cs.wikipedia.org/wiki/C_Sharphttp://www.pira.cz/pdf/BBY40.pdfhttp://www.pira.cz/pdf/BBY40.pdfhttp://www.radio-electronics.com/info/circuits/transistor_crystal_oscillator/crystal_oscillator.phphttp://www.radio-electronics.com/info/circuits/transistor_crystal_oscillator/crystal_oscillator.phphttp://radio.feld.cvut.cz\/personal/dobes2/PhaseNoise.pp4.pdfhttp://www.national.com/an/AN/AN-1001.pdf

SEZNAM SYMBOLŮ, VELIČIN A ZKRATEK

DSP č́ıslicové zpracováńı signál̊u – Digital Signal Processing

PLL PLL - Phase Locked Loop - fázový závěs

VCO Voltage Controlled Oscillator - napět́ım ř́ızený oscilátor

fmin minimálńı kmitočet syntezátoru

SPI SPI - Serial Peripheral Interface - Sériové komunikačńı rozhrańı

fmax maximálńı kmitočet syntezátoru

fvco fvco - kmitočet VCO

USB USB - Universal Serial Bus -